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基于DSP的空间电压矢量PWM技术研究与实现

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作者:王晶晶 徐国卿 徐铁柱 程 曙 王 麾 时间:2007-01-26来源:《电子查询网》

1 引言

近年来,在高性能全数字控制的电气传动系统中,作为电力电子逆变技术的关键,pwm技术从最初追求电压波形正弦,到电流波形正弦,再到磁通的正弦,取得了突飞猛进的发展[1]。在众多正弦脉宽调制技术中,空间电压矢量pwm(或称svpwm)是一种优化的pwm技术,能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗,降低脉动转矩,且其控制简单,数字化实现方便,电压利用率高,已有取代传统spwm的趋势。本文对空间电压矢量pwm的原理进行了深入分析,重点推导了每一扇区开关矢量的导通时间,并在ti公司生产的dsp上实现三相逆变器的控制,证明了分析的正确和可行性。

2 空间电压矢量pwm原理

图1为三相电压源逆变器示意图,sa、sb、sc为逆变器桥臂的开关,其中任一桥臂的上下开关组件在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时,上下桥臂开关互逆。将桥臂输入点a、b、c的开关状态用下面的开关函数表示:

sk=1(桥臂k,上桥臂导通,下桥臂关断);sk=0(桥臂k,上桥臂关断,下桥臂导通)。  由a、b、c的不同的开关组合,可以有23=8个开关矢量(sa sb sc),即v0(000)~v7(111),其中有六个有效开关矢量v1~v6和两个零开关矢量v0和v7。利用v0~v78个矢量的线性组合可以近似模拟等幅旋转向量,由磁链和电压间简单的积分关系,可知此时实际的电机气隙磁通轨迹接近圆形。图2为svpwm矢量、扇区及每个扇区开关方向图。按图2,有表1所示扇区号与k的关系。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/21439.htm

其中k为以a轴为起点,以π/3为单位,逆时针方向排列的序号,若θ为矢量与α轴夹角,则有


svpwm技术的目的是通过合成与基本矢量相应的开关状态,得到参考电压uout。对于任意小的时间周期t,逆变器输出平均值与uout平均值相等,如式(3)所示:

其中tx、tx+60(或tx-60)分别为一个周期内,开关状态ux、ux+60(或ux-60)对应的作用时间,ux与ux+60(或ux-60)是合成uout的基本空间矢量。如果假定在很小的时间t内参考电压uout的变化很小,则式(3)可以变为式(4):

在一个完整的调制周期t内,除了tx和tx±60的导通时间,其余为零矢量o000和o111作用时间(零状态时间)t0,当作用时间相等时,直流利用率可以大大提高,故可将(4)式表示为(5)式:

根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则,定子电压的空间矢量可以表示为:us=

式中,vdc为逆变器的直流母线电压,而两个零矢量则用o000和o111表示,其实际值为0。

考虑到在具体实现svpwm时,零状态存在于每一个区域中,一般每个调制周期均以o000开始,同时为减少开关损耗,相邻两个作用矢量只有一个开关量变化,即(sa sb sc)中只有一个变化,故在o000之后应将u0、u120、u240选作作用矢量,即在每个扇区中非零矢量的作用顺序如图2所示。同时,注意到相反方向的两个矢量(即空间上相差180°的两个矢量,如u60与u240),其开关量(110)与(001)完全互补,故我们可以通过计算0~180°范围内(即3、1、5扇区)每个矢量的作用时间推出180°~360°矢量作用时间,进而计算出所有扇区的矢量作用时间。
当k=1时,相应的电压矢量为u0和u60,由(7)式知:

3 开关矢量开关时间的计算

由上述分析,我们可以画出如图3所示的开关矢量开关时间计算图[3],图3是k=1时开关时间计算图,注意到为使计算方便,坐标系如图3定义:



其 中ui——线电压有效值;
up——相电压有效值;
  λ——每相磁链有效值;
upm——相电压幅值。
代入式(10),可得:

综合以上三式,可得出k=1、2、3时一个周期内两个相邻矢量的作用时间:

由前面的分析可知,k=4、5、6时一个周期内相应矢量的作用时间分别与k=1、2、3时作用矢量顺序相反而时间值相等,即

式(14)、(15)组成了svpwm中各扇区相应电压矢量的作用时间表达式,本文后面的软件实现中将直接利用该结果。

4 基于tms320f240的空间矢量脉宽调制技术的算法实现

采用tms320f240系统实现svpwm具有精度高且实现方便的特点。tms320f240系统的指令周期为50 ns,运算速度快;指令系统丰富灵活,指令效率高;有544k字片内ram,16k字闪存(flasheeprom);3个全比较单元输出六路互补pwm[4]。在实现svpwm的过程中,可以采用定时器连续加/减计数从而生成对称pwm。

软件实现中,以uα、uβ作为输入,直流母线电压vdc为参数,输出为三相对称pwm模式。程序编写包括主程序和一个定时器周期寄存器中断子程序,主程序根据电机控制策略计算出所需要的频率f,等待中断的产生。在定时器中,根据此时f和uout的当前位置确定出下一个载波周期中uout的位置,查转换模式表得到需要的两个作用矢量,并计算出它们的作用时间t1,t2。

图4为svpwm中断的子程序流程图。在进入中断前,系统配置、外设、i/o、gp定时器及各变量均已初始化完毕。

下面对该流程图具体实现作一说明。
(1)判断矢量uout所处扇区

(2)确定每个扇区中相应电压矢量的作用时间

事实上,由前面的分析可知,由于三角函数具有对称性和周期性,两个相邻电压矢量的作用时间tx、tx±60只有三个数值,具体实现时,由于是对称pwm,故将tx、tx±60分成对称的两个部分,即下述的x,y,z:

(3)确定开关顺序,为比较寄存器赋值
定义电压矢量变化点距离时间零点的时间间隔分别为ta、tb、tc,则有:

由每个扇区的工作图,为每个扇区的比较寄存器赋值如表3:

5 实验结果

本文结合电动汽车电机控制系统,采用tms320f240 dsp汇编语言编写了开环、载波频率为10 khz、变频范围为0~100 hz的svpwm控制程序。逆变器逆变开关采用igbt,直流电源为蓄电池,驱动的电机为三相异步电机,定子绕组星形接法,并带一它励直流发电机作为负载。程序每周期内只发生一次定时器周期中断,实时性好,且占用cpu较少,使cpu有很大能力去完成其它任务,实现更复杂、完善的电机控制。实验结果证明了该算法的正确性。图5、图6分别为控制器输出经过低通滤波后的相电压、线电压波形和实际测得的电流波形图。由图中可见,电压电流的正弦性很好,消除谐波明显,svpwm是一种较为优化的pwm。

6 结论

本文详细阐述了空间电压矢量svpwm技术的原理,推导了每个扇区开关矢量的作用时间,提出了用一半扇区的开关时间代替全部开关时间的算法,并在ti公司生产的dsp上实现。经过分析和实验,结果表明:

(1)在相同的直流母线电压下,采用svpwm方式有效地扩展了逆变器输出基波相电压的线性范围,其线性范围内的输出最大基波相电压幅值是传统spwm输出最大基波相电压的1.15倍,能有效提高电源电压利用率。

(2)只计算0~180°范围内(即3、1、5扇区)每个矢量的作用时间,再利用各扇区间矢量的关系及开关顺序,推出180°~360°矢量的作用时间,进而计算出所有扇区的矢量作用时间,是完全可能及正确的。

(3)在高性能全数字化的矢量控制系统中,应用dsp处理器,如ti公司生产的tms320f24x系列产品,由于dsp快速的运算能力和数据处理能力,空间电压矢量pwm技术实现更准确、方便,更接近理想正弦磁通控制。


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